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ETUDE DU BIOMECANISME DU SABOT EQUIN (2010) – Glenn Ramsey, Peter Hunter, Martyn Nash

Auckland Bioengineering Institute, The University of Auckland, New Zealand

1 INTRODUCTION

DSC08946De nombreux aspects de la biomécanique du sabot sont mal compris. Des études expérimentales ont accru notre compréhension du sabot en mesurant différents aspects de sa fonction mécanique. Cependant, de nombreux aspects ne peuvent pas être mesurés. La modélisation est un processus dans lequel nous essayons de recréer les aspects d’un système physique afin de l’étudier dans un environnement contrôlé ou de faire des prédictions sur le comportement de ce système dans le monde réel. La modélisation est un moyen approprié afin de mieux comprendre la biomécanique du sabot où des mesures ne sont pas possibles.

Dans ce travail, un modèle d’éléments finis du sabot a été utilisé. Le modèle a permis des variations dans la géométrie, Les propriétés des tissus et Les conditions de charge. Les résultats de quatre études de modélisation différentes sont présentés. Ces études examinent les effets de la variation des propriétés de la boîte cornée du sabot en raison de sa teneur en humidité, l’effet des conditions de charge sur le mécanisme du sabot; l’effet de l’angle palmaire sur la charge des lamelles dorsales; et l’effet de la forme de la surface solaire sur la répartition des charges dans la boîte cornée du sabot.

2 L’INFLUENCE DE L’HYDRATATION DES TISSUS SUR LE MÉCANISME DE LA BOITE CORNÉE DU SABOT

Il est connu que les propriétés mécaniques de la corne du sabot équin varient grandement selon les taux d’humidité; cette propriété est parfois utilisée pour des interventions qui visent à remodeler la boîte cornée du sabot. Cependant, la relation entre la teneur en humidité de la corne et la variation de la mécanique de l’ensemble du sabot n’a pas été mésurée. Cette étude explore l’effet des variations de l’humidité sur la mécanique de la boîte cornée du sabot et, en particulier, les déflexions et les variations de l’énergie élastique dans le sabot.

Un modèle d’éléments finis du sabot a été utilisé. Le tissu de la boîte cornée a été modélisé en utilisant l’élasticité limitée avec une relation de matériau hétérogène transversalement identique (isotrope), dans lequel les paramètres élastiques ont été modifiés en fonction de la teneur en humidité du tissu. La jonction laminaire et le chorion solaire ont été modélisés en utilisant un matériau de type Fung exponentiel ajustée aux données publiées. La phalange distale a été modélisée comme un matériau homogène et isotrope. Le substrat de l’interaction a été modélisé par le contact avec une plaque rigide et les charges typiques du trot ont été appliquées. Des scénarios différents ont été modélisés où la teneur en humidité de la paroi du sabot varie de 40% à 100% dans le cas d’une hydratation complète.

Les résultats ont démontré que les déflexions de la boîte cornée du sabot et l’énergie élastique de la boîte cornée ont augmenté de manière uniforme avec l’augmentation de la teneur en humidité. L’énergie élastique est restée constante dans la jonction laminaire et le chorion solaire. Les déflexions de la boîte cornée se situaient dans la fourchette expérimentalement rapportée. Un schéma du modèle et les résultats des déflexions sont présentés dans la figure 1.

Le comportement mécanique de la boîte cornée du sabot est sensible à la variation de sa teneur en humidité. Les validations expérimentales des modèles du sabot devraient contrôler la teneur en humidité pour améliorer la fiabilité. Les déflexions de la boîte cornée peuvent être amplifiées en augmentant l’hydratation des tissus, et vice-versa. Ces résultats confirment les pratiques de soins des sabots qui impliquent la manipulation de la teneur en humidité du sabot.

3 L’EFFET DES CONDITIONS DE CHARGE SUR LE MÉCANISME DU SABOT

L’appui en talon en premier est considéré comme un indicateur d’un sabot qui fonctionne correctement. On pense que cela favorise le développement d’une fourchette épaisse et du coussinet digital, qui permettent sabot de dissiper les forces d’impact du sol. L’appui en talon en premier est associé à un point caudal pour l’emplacement des forces caudales mais les effets du point d’impact des forces sur la boîte cornée n’ont pas été étudiés. Un large panel de mesures expérimentales sur l’expansion des talons et d’autres déflexions du sabot ont été rapportés dans la littérature. Une des raisons de ces conclusions différentes peut être les variations dans la géométrie du sabot, mais l’effet des conditions de charge de poids et la friction créée par le contact avec le sol peuvent également y contribuer.

La but de cette étude était de déterminer l’effet des variations de charge, la friction de contact sur les déflexions du sabot, et le stockage d’énergie élastique.

Une série de conditions extrêmes a été appliquée à des modèles d’éléments finis. Pour tous les cas d’études une charge de 10N/kg de poids corporel typique du pic de la charge au trot, au pas, a été utilisée. Dans un scénario, une force de 0,25Nm/kg de poids corporel a été utilisé, et la friction de contact variant de zéro à un coefficient de 1 a été utilisée pour simuler les effets des différentes surfaces de sol. Dans un autre scénario, une force variant de 0 à 0,5 Nm/kg de poids corporel a été utilisée pour déplacer le centre de la force vers le cranial (caudal-cranial) simulant ainsi le déchargement des talons. Pour tous les cas d’études les déflexions et l’énergie élastique stockée pour les différents tissus ont été calculées.

Les deux, l’augmentation du coefficient de friction et le déplacement du centre de force crânialement (vers l’avant du pied), causent/sont responsables des déflexion de la boîte cornée du sabot et d’une diminution de l’énergie élastique stockée.

L’expansion du sabot et le stockage d’énergie élastique sont considérablement influencés par la friction de la surface au sol et la zone de l’impact. Comme les conditions de charge peuvent être variables in vivo, les études de validation du modèle devraient tenir compte de ces différences. Le dégrée de l’expansion du sabot est en corrélation avec la concavité du sabot pour stocker de l’énergie élastique. Ces résultats indiquent que la maximisation de l’absorption d’énergie peut être la fonction de l’appui en talons en premier.

4 L’EFFET DES VARIATIONS D’ANGLE DU SABOT SUR LA CHARGE DES LAMELLES DORSALES

Dans le traitement de la fourbure, on croit que la réduction de la tension du tendon fléchisseur profond par l’augmentation de l’angle palmaire du sabot peut réduire la charge sur les lamelles dorsales, leur permettant de guérir ou de prévenir d’autres lésions. L’objectif de cette étude est de déterminer l’effet des alternances de l’angle du sabot sur la charge dans la jonction des lamelles dorsales.

Des modèles d’éléments finis biomécaniques des sabots de chevaux ont été créés avec des angles palmaires de la phalange distale variant de 0° à 15°. Des rapports matériels tissulaires représentant l’anisotropie et l’effet de l’humidité ont été utilisés. Les conditions de charge simulant les étapes de la position de l’impact de la force verticale au sol, le moment du déroulement (mi-position), et le moment articulaire où la bascule du pied était maximale, ont été appliquées aux modèles. Les charges ont été ajustées pour tenir compte de la réduction au moment articulaire en augmentant l’angle palmaire. Des modèles ont été comparés en utilisant l’énergie élastique stockée, une indication de la charge, pour échantillonner la jonction des lamelles dorsales.

Dans tous les cas de charge, l’augmentation de l’angle palmaire augmentait l’énergie stockée dans la jonction des lamelles dorsales. L’énergie élastique stockée au bord de la jonction laminaire proximale pour un angle palmaire de 15° se situait entre 1,3 et 3,8 fois supérieure par rapport à un angle palmaire de 0° (quand la troisième phalange est parallèle au sol). L’énergie élastique stockée au bord de la jonction laminaire distale était faible dans tous les cas. Dans l’étude du point de la bascule du pied (break-over), l’énergie élastique stockée au bord proximale était également augmentée avec l’augmentation de l’angle palmaire. La figure 2 montre une partie de ces résultats.

Les modèles de cette étude prédisent que l’augmentation de l’angle palmaire augmente la charge sur la jonction laminaire dorsale. Par conséquent, les interventions des soins de sabot qui soulèvent l’angle palmaire afin de réduire la charge sur les lamelles dorsales ne peuvent pas atteindre ce résultat.

5  L’EFFET DE LA FORME DE LA SURFACE PORTANTE PAR RAPPORT À LA REPARTITION DE LA CHARGE DANS LA BOÎTE CORNÉE DU SABOT

Un grand nombre de chevaux a des talons contractés, ce qui peut conduire à la boiterie et donc à une inaptitude du cheval. La contraction des talons est quantifiée d’une insuffisante largeur par rapport à la longueur de la fourchette du pied (homologue à la garniture de pied dans d’autres ongulés). Il est connu qu’un manque de charge sur le sabot (comme quand le membre est blessé), une conformation de “pince longue – talons bas”, ou l’utilisation prolongée de fers à cheval peuvent provoquer la contraction, mais le mécanisme sous-jacent n’est pas compris. Si la cause de la contraction pouvait être élucidée, des mesures pourraient être prises pour l’empêcher. Cette étude a examiné les effets des variations courantes de la forme du sabot sur la répartition de la pression de la surface de contact au sol (la sole) et sur la répartition des tensions dans la paroi du sabot.

Des modèles d’éléments finis ont été créés pour représenter: (I) un sabot normal avec une surface portante plate (“flat-weightbearing”); (II) des talons sous-courbés (où le talon est plus incliné que la pince); (III) un sabot avec des barres qui portent en appui (la barre courbée vers l’intérieur de la paroi du sabot); (IV) un sabot ferré; (V) un sabot avec une décompression concave des parois latérales (comme observé sur des sabots usés naturellement). Les modèles ont été configurés en tant que problèmes mécaniques de contact sans friction en utilisant une base rigide. Des conditions extrêmes ont été appliquées simulant la charge maximale dans dans l’allure du trot.

Les modèles avec une surface plate portante, un appui des barres sur la base, et un fer à cheval ont montré chacun que la distribution de la force en appui s’est exercée vers l’avant et qu’elle était maximale dans la région crâniale vers le bord caudale de la phalange distale. Ces modèles, ainsi que le cas des talons sous-courbés, ont indiqué une région de faible pression dans la paroi proximale du talon. Dans les modèles avec un relief mural concave de 1 mm dans la paroi, la pression a été concentrée en pince et en talons au moment de l’appui. Grâce à l’expansion latérale de la paroi qu’il permet (il est aplatie au cours de la charge), la force est distribuée de façon homogène sur toute la surface de la paroi. Les modèles n’ont pas montré une région de faible pression dans la paroi proximale du talon. La figure 3 montre une partie de ces résultats.

En résumé, nous observons qu’une surface d’appui plate provoque une redistribution de charge à l’avant des talons qui provoque une contraction des talons. D’autre part, cela n’est pas le cas pour les sabots qui se sont développés sainement, parce que la forme concave des surfaces portantes à l’appui incite les talons à porter. La distribution des tensions suggère que la partie caudale du sabot est équilibrée par la partie distale de la phalange. Ceci explique les répartitions de la pression conforme aux surfaces d’appui concaves qui ont été observés dans les sabots naturellement usés. Comprendre la cause de la contraction et la forme du sabot naturellement usé peut conduire à des améliorations dans les pratiques des soins du sabot.

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Figure 1

Rendu du modèle du sabot (à gauche) et des déflexions (à droite) selon le taux d’humidité extérieure variant de 40% à 100% (saturation totale). Des étiquettes numériques correspondent à des emplacements sur la figure de gauche. Des étiquettes alphabétiques indiquent la direction des déflexions : proximo-distal (PD), latéro-médial (LM), cranio-caudale (CC).

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Figure 2

La tension de la densité énergétique dans la jonction dorsale laminaire, au pas, pour les angles palmaires variant de 0 ° à 15 °, pour le pic de la force de réaction verticale au sol (à gauche) et pour le déroulement (break-over) du pied (à droite)

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Figure 3

L’effet d’un relief concave de 1mm dans la paroi (à gauche), du fer à cheval (centre) et d’une surface plane (à droite) à l’appui sur le sol par rapport à la répartition de la tension sur la surface solaire de la paroi et la répartition des tensions dans la muraille.

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Résumé de la thèse “Equine Hoof Biomechanics” de Research Space Auckland, New Zealand, Glenn Ramsey, Martyn Nash, Prof. Peter Hunter, copyright Act 1994: study hoof biomechanics

Edition et traduction, HAPPYQUUS, 6-2015

 

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